V okviru raziskav poskusnega fuzijskega reaktorja ITER sodeluje tudi raziskovalna enota Slovenske fuzijske asociacije (SFA).
V omenjeno raziskovalno ustanovo so vključene raziskovalne skupine z Inštituta Jožef Stefan in z Univerze v Ljubljani. Raziskovalci sodelujejo pri različnih projektih na področjih interakcije plazme s steno reaktorja, raziskav keramičnih materialov, razvoja diagnostične opreme in nekaterih delov reaktorja ter izdelave specialne vrste orodja, potrebnega pri sestavljanju vakuumske posode reaktorja.
Kot je znano, poskusni fuzijski reaktor ITER na jugu Francije skupaj gradijo EU, Indija, Japonska, Kitajska, Koreja, Rusija in ZDA. S tem svetovnim eksperimentom, ki naj bi predvidoma stal okoli deset milijard evrov, bodo skušali dokazati, da je fuzija znanstveno in tehnološko uresničljiva v izvedbi goreče plazme v magnetni posodi - tokamaku.
ITER bo predvidoma zgrajen do leta 2023
Za skupni projekt ITER so se omenjene države odločile zaradi izredno visokih stroškov gradnje, saj gre za prvi tako obsežen projekt na tem področju, zato je treba skoraj vso opremo še razviti. Fuzijski reaktor ITER, ki naj bi ga po načrtu zgradili do leta 2023, bo vsaj za polovico manjši od tistih, s katerimi bodo v prihodnosti opremljene komercialne fuzijske elektrarne. Gradnja poteka postopoma.
Kot je povedal dr. Andrej Trkov, vodja Raziskovalne enote Slovenske fuzijske asociacije, je prva plazma predvidena po končani gradnji in približno enem letu predvidenim za testiranje posameznih komponent.
V dveh letih naj bi vgradili še manjkajočo diagnostiko, nato naj bi ITER deloval štiri leta s plazmo iz vodika, nato pa še tri leta s plazmo iz devterija in tritija (faza DT). ITER bo eksperimentalna naprava, namenjena testiranju fizikalnih principov, obratovalnih metod in materialov in še ne bo dajala elektrike. Po razgradnji reaktorja ITER bo sledila gradnja prve demonstracijske fuzijske elektrarne DEMO, ki naj bi jo postavili po letu 2040, ko je predvideno njeno redno obratovanje in proizvodnja električne energije.
Poskusni fuzijski reaktor ITER temelji na uspešnem mednarodnem sodelovanju in široki paleti različnih tehnoloških raziskovalno-razvojnih projektov. ITER bo lahko 6 minut proizvajal 400 MW fuzijske moči, kar se bo lahko pozneje podaljšalo do stacionarnega obratovanja. Njegov namen je dokazati znanstvene in tehnične možnosti jedrske fuzije za komercialno proizvodnjo energije, in sicer s tem, da bo omogočal nadzorovano zgorevanje devterij-tritijeve plazme pri stacionarnih razmerah in obvladovanje tehnologije, ki je bistvena za delovanje reaktorja v sistemu elektrarne.
Aktivnosti slovenskih raziskovalcev na področju fuzije
Katere so glavne aktivnosti slovenskih raziskovalcev na področju fuzije v okviru Slovenske fuzijske asociacije? Po besedah dr. Trkova en sklop aktivnosti SFA poteka na napravi JET v Veliki Britaniji, ki je trenutno največji delujoči tokamak. Na njem se preverjajo metode, materiali in postopki za napravo ITER, ki je v izgradnji v Cadarache-u v Franciji. Druge aktivnosti pa so bolj splošno vezane na fuzijsko tehnologijo in prispevajo k izdelavi postopkov za upravljanje z ITER napravo.
»Raziskave potekajo v tesnem sodelovanju z drugimi laboratoriji znotraj EU v koordinaciji z EFDA. Pri prvem sklopu gre za preračun porazdelitve nevtronskega toka. Za varno in uspešno delovanje fuzijskega reaktorja je potrebno poznati porazdelitev nevtronskega polja v reaktorju. Preračunavamo porazdelitve nevtronskega toka znotraj trenutno največjega fuzijskega reaktorja JET v Veliki Britaniji,« je pojasnil dr. Trkov.
Pri drugem sklopu raziskav gre za izboljšavo game kamere, ki je del opreme za vizuelni nadzor dogajanja v fuzijskem reaktorju, je pa občutljiva na poškodbe zaradi nevtronskega polja. Izvajajo se izračuni za optimizacijo zaščite kamere pred nevtroni na reaktorju JET.
V okviru naslednjega sklopa raziskav potekajo izboljšave diagnostike v robni plazmi fuzijskih naprav. Diagnostika je pomembna v fazi optimizacije nadzora plazme in razumevanja fizikalnih procesov v plazmi.
Raziskave interakcije vodika s stenami fuzijskih reaktorjev so pomembne za razumevanje pojavov v divertorju reaktorja, na katerem se zbirajo delci - produkti jedrskih reakcij v plazmi. Ker imajo ti delci visoke energije, se ob trkih materiali prve stene reaktorja in divertorja močno grejejo, zato morajo biti preverjeno odporni na visoke temperature in radiacijske poškodbe in ne smejo vsrkavati večjih količin vodika - goriva iz plazme. Vzorce materialov za fuzijske reaktorje izpostavljajo curku vodikovih atomov, sočasno pa merijo količino vodika na površini in pod njo. Pridobljeni podatki o adsorpciji vodika raziskovalcem pomagajo pri razlagi tvorbe vibracijsko vzbujenih molekul vodika pri rekombinaciji atomov na površinah kovin.
Pri naslednjem sklopu raziskav gre za odstranjevanje oblog na grafitni prvi steni fuzijskega reaktorja. Obloge, ki se nabirajo na prvi steni zaradi interakcij s plazmo kvarijo njene lastnosti in jih je potrebno odstranjevati. Eden od učinkovitih načinov je čiščenje s curki nevtralnih atomov kisika ali vodika.
Nadalje so v teku raziskave o uporabi ionskih curkov za študij interakcij plazme s prvo steno. Metoda uporabe ionskih curkov je natančna analitična metoda za študij površin in površinskih sprememb zaradi interakcij stene s plazmo.
Pomembne so tudi raziskave pri eksperimentalni določitvi pronicanja vodika skozi površinske nanose na jeklu. Pronicanje vodika skozi površinske nanose volframa, berilija ali kombinacije obeh na jeklu je slabo raziskano, zlasti ker gre za majhne količine, je pa pomembno zaradi kontrole kontaminacije s tritijem.
Naslednji sklop raziskav je vezan na nanašanje večkomponentnih tankih slojev. Natančnost in zanesljivost nanosov tankih slojev zagotavlja kakovost zaščitnih lastnosti teh nanosov.
Ne nazadnje so v teku tudi raziskave o vzdrževanju in posodabljanju orodij za vizualizacijo. Grafična obdelava je pomembna za učinkovito predstavitev kompleksnih sistemov in izračunanih porazdelitev raznih količin.
V Sloveniji doktoriralo deset strokovnjakov s področij fuzije
Ob predstavitvi raziskav s področja fuzije je dr. Trkov še dejal, da ima Slovenija vlogo tudi pri izobraževanju kadrov. Od leta 2009 je na slovenskih univerzah doktoriralo deset strokovnjakov s področij vezanih na jedrsko fuzijo. Zaradi interdisciplinarnosti raziskav ne delujejo vsi izključno na področju fuzije. Nekateri so na podoktorskem usposabljanju v tujini, vsi pa prispevajo k skupnemu cilju uporabe vrhunske znanosti in tehnologije za pridobivanje bazične energije na okolju prijazen način.
Miro Jakomin